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Lección 1Conceptos y definiciones básicas de termodinámica.

Primer principio de la Termodinámica.

1

Centro Universitario de la Defensa de San JavierMDE-UPCT.

Tecnología Energética

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

2

Nomenclaturav volumen específico (m3/kg), inversa de la densidad

V volumen (m3)

C velocidad (m/s)

c capacidad calorífica específica (sólidos y líquidos) (J/(kg·K))

cp calor específico a presión constante (gas ideal) (J/(kg·K))

cv calor específico a volumen constante (gas ideal) (J/kg·K))

U energía interna (J)

u energía interna específica (J/kg)

H entalpía (J)

h entalpia específica (J/kg)

E energía total del sistema (J). Ec energía cinética, Ep energía potencial

gasto másico (kg/s) ( = velocidad·área· densidad)m m

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

3

Nomenclatura

Q calor (J). q calor específico (J/kg)

W trabajo (J). w trabajo específico (J/kg)

Potencia (J/s=W)

Potencia calorífica (J/s=W)Q

W

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

4

Conceptos previos conocidos (Física de 1º)

•Sistemas abierto, cerrado. Magnitudes intensivas y extensivas.

•Definición de estado de equilibrio, proceso y ciclo

•Procesos isotérmico, isóbaro, isócoro y adiabático

•Principio cero de la termodinámica. Equilibrio térmico. Medidas de

temperatura

•Ecuación del Gas ideal. Leyes de Boyle-Mariotte, Gay-Lussac

•Definición energía interna

•Trabajo realizado por el cambio de volumen de un sistema

•Trabajo de un proceso isócoro, isóbaro, isotérmico, y de un ciclo

•Concepto de Calor

•Capacidad calorífica y calor específico

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

5


•Primer principio de la termodinámica sistemas cerrados

•Entalpía. Calor a presión constante

•Calores específicos de los gases ideales cv, cp

•Relación de Mayer

•Aplicaciones del primer principio a sistemas cerrados

•Transformaciones de un gas ideal: proceso isócoro, isóbaro,

isotermo, adiabático

•Posición relativa de adiabáticas e isotermas

•Segundo principio de la termodinámica. Enunciados

•Definición de motor termodinámico, máquina frigorífica y bomba de

calor

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

6


•Ciclo de Carnot

•Entropía

•Diagrama entrópico T-s

•Variación de entropía en procesos reversibles: proceso adiabático,

isotermo, isócoro, isóbaro y en un ciclo.

•Ecuación fundamental de la termodinámica (relaciones S con otras

propiedades)

•Variación de entropía en un gas perfecto

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

7

Conceptos previos conocidos (Química de 1º)

•Energía de las reacciones químicas

•Reacciones endotérmicas y exotérmicas

•Calor sensible y latente (calor de cambio de estado)

•Primer principio de la termodinámica

•Ley de Lavoisier-Laplace

•Ley de Hess

•Ley de Kirchoff para cálculo de entalpías de formación

•Medidas en calorímetro

•Cálculo del poder calorífico de un combustible

•Estados de agregación. Diagrama fase P-T

•Calor latente de fusión y vaporización

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

8

Conceptos previos conocidos (Química de 1º)

•Segundo principio de la termodinámica para sistemas cerrados

•Entropía y desorden.

•Cálculo de entropía en reacciones químicas y entropía normal de

formación

•Procesos reversibles e irreversibles. Evaluación de un proceso

•Tercer principio de la termodinámica

•Energía libre de Gibbs.

•Evaluación de procesos y capacidad de valorar si son espontáneos o

no espontáneos, reversibles o irreversibles. Aplicación a reacciones

químicas.

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

9

Conceptos previos conocidos (Física & Química 1º)

Propiedades termodinámicas describen el estado del sistema y

son variables de estado cuando un sistema pasa de un estado a

otro y el cambio en el valor de una propiedad queda determinado

por los estados inicial y final y no depende de la forma concreta en

la que ha ocurrido el proceso (no depende del camino seguido).

Fase: conjunto de materia que es homogénea en composición

química y en estructura física.

Sustancia pura: sustancia uniforme e invariable en su composición

química.

Ej: agua+hielo (2 fases 1sustancia), agua+alcohol diluidos (1fase)

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

10

Definiciones termodinámicas

Calor Q: energía en tránsito de un sistema a otro debida a la

diferencia de temperaturas entre los 2.

Trabajo W: el trabajo de las fuerzas de presión es:

Energía E: cinetica+potencial+interna

Criterio de signos (mismo que en Física 1º):

xdFW ·

2

1

2

1

21 ·dVpWW

Es positivo si el sistema realiza trabajo sobre el entorno

(extraemos trabajo del sistema). Por el contrario, es

negativo si aportamos trabajo al sistema desde fuera.

(criterio opuesto al aplicado en Mecánica de Fluidos)

Q

W

Es positivo si aportamos calor al sistema y negativo si lo

extraemos del sistema (mismo criterio que Mecánica de

Fluidos)

SISTEMA

+Q

-Q

-w

+w

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

11

Definiciones termodinámicas

Energía total E= Ec+Ep+U

E cinética: ½mC2 siendo C velocidad. E potencial: mgz

Energía interna: U (J), u (J/kg)

Entalpía: H (J), h(J/kg)

Utilizaremos las siguientes definiciones:

Sólidos y líquidos caloríficamente perfectos:

v=1/=cte,

puvpuh ·

constante

T

uc

pvTcuh

Tcuu

o

o

·

·

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

12

Gases caloríficamente perfectos

Cumple la ecuación de estado de los gases perfectos:

para el aire Rg=287 N·m/(kg·K)

Cumple la condición de caloríficamente perfecto:

= constante , = constante

Importante: el vapor de agua no es gas caloríficamente

perfecto. No se puede calcular con estas fórmulas. Se usarán

tablas termodinámicas

TRpvp g

T

ucv

p

pT

hc

gvp Rcc

v

p

povo

vo

c

c

Tchp

Tcuh

Tcuu

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

13

Primer principio de la termodinámica

Es el principio de conservación de la energía. Es la misma ecuación

que se vió en Mecánica de fluidos (ec 3.22 con el nuevo criterio de

signos y la nueva nomenclatura):

Al aplicarlo hay 2 casos:

1-Para sistemas cerrados: como no hay transferencia de masa en la

frontera el flujo en superficies es cero y queda simplificada a:

WQdnCCgzChdVgzCudt

d

t

c

tV cc

2

212

21

WQ

dt

EEUd Pc WQEEUd Pc

WQdVgzCudt

d

tVc

2

21

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

14


La variación de energía total del sistema (energía interna+ cinética+ potencial) por

unidad de tiempo es debida a la aportación de calor al sistema por unidad de

tiempo, menos el trabajo por unidad de tiempo realizado por el sistema sobre el

exterior. (visto en Física de 1º)

Para un proceso en el que el sistema va del estado 1 al estado 2:

Ejemplo: expansión del gas con rozamiento en el pistón

y calentamiento por ventilador

212112 WQEEUEEUEEU PcPcPc

2

12112 pdVWQUU rozamiento

WQ

dt

EEUd Pc WQEEUd Pc

Integrando en el espacio y/o en tiempo queda:

Q

Wrozamiento

F

gas

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

15


2-Para sistemas abiertos (hay transferencia de masa en el volumen

de control) es la misma ecuación que en Mecánica de fluidos con la

nueva nomenclatura y signos:

Al integrar en el volumen y las superficies del volumen de control

queda:

(a veces las variaciónes de Ec y de Ep pueden despreciarse por ser pequeñas)

La mayoría de las veces será necesario aplicar también el principio de conservación

de la masa (ec 2.7 Mec Fluidos).

WQdnCCgzChdVgzCudt

d

t

c

tV cc

2

212

21

WQgzChmgzChmEEUdt

d

entradasee

salidassspc

2

212

21

)( )(

0)(tV t

c

c c

dnCCdVdt

d

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

16

Aplicaciones típicas del Primer principio para sistemas abiertos

Turbinas

Toberas y difusores

Compresores

Bombas y ventiladores

Válvulas y tubos aislados

Intercambiadores de calor

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

17

Aplicaciones típicas del Primer principio para sistemas abiertos

Difusor: frena el aire incidente y eleva su presión

Compresor: comprime el aire aumentando su densidad utilizando el movimiento de sus álabes

que son movidos por la rotación del eje

Cámara de combustión: inyecta combustible en el aire y lo quema generando gases a alta

temperatura y presión (alta entalpía)

Turbina: transforma la energía de los gases que salen de la cámara de combustión en trabajo

de rotación en el eje

Tobera: acelera los gases que salen a costa de bajar su presión. Genera movimiento acción

reacción

Turbinas de gas para aviación

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

18

Aplicación del Primer principio a una Turbina

Los gases con alta presión y temperatura al atravesar la turbina empujan los álabes de la misma haciendo

girar su eje. La turbina extrae energía del los gases que la atraviesan reduciendo su entalpia y obteniendo

trabajo

En condiciones estacionarias:

A través de la turbina se cumple:

WQgzChmgzChmentradas

ee

salidasss

2

212

21

22

2

2

2

121

CCmhhmW

WzzgCC

hhm

12

2

1

2

212

2

(J/kg)

(J/s)

En este caso no se desprecian las variaciones de energía cinética

Proceso adiabático q=0 y =0

z1z2

Q

22

2

2

2

121

CChhw wzzg

CChh

12

2

1

2

212

2

Turbina Aeroreactor (Lección 6) Representación simbólica

W1

2

T

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

19

Aplicación del Primer principio a una Turbina

Los gases con alta presión y temperatura al atravesar la turbina empujan los álabes de la misma haciendo

girar su eje. La turbina extrae energía del los gases que la atraviesan reduciendo su entalpia y obteniendo

trabajo


A través de la turbina se cumple:


ee

salidasss

2

212

21

21 hhmW WzzgCC

hhm

12

2

1

2

212

2

(J/kg)

(J/s)

C1C2


z1z2

Q

21 hhw wzzgCC

hh

12

2

1

2

212

2

Turbina producción de potencia (Lecciones 4 y 5)Representación simbólica

W1

2

T

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

20

Aplicación del Primer principio a tobera y difusor

Difusor: frena el aire incidente y eleva su presión

Tobera: acelera los gases que salen a costa de bajar su presión. Genera

movimiento acción reacción


A través de la tobera y difusor se cumple:


ee

salidasss

2

212

21

No se realiza trabajo w=0 y =0


z1z2

QW

02

12

2

1

2

212

zzg

CChhm

22

2

22

2

11

Ch

Ch

Procesos de derrame: W=0Tobera Difusor1

2 1

2

C1 C2 C2C1

C2>C1

P2<P1C2<C1

P2>P1

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

21

Aplicación del Primer principio a compresores y bombas

En el compresor se aporta trabajo y se aumenta la entalpía del gas incidente. En el proceso puede generarse

algo de calor que se disipa al ambiente (a veces este calor puede despreciarse).


(J/kg)

WCC

mhhmQ

22

2

1

2

212

(J/s)

wCC

hhq

22

2

1

2

212

WQzzgCC

hhm

12

2

1

2

212

2

wqzzgCC

hh

12

2

1

2

212

2

En el compresor se cumple que:

En este caso no se desprecian las variaciones de energía cinética

z1z2

Compresor Aeroreactor (Lección 6)

Representación simbólica

W

1

2

CQ

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

22

Aplicación del Primer principio a compresores y bombas

En el compresor se aporta trabajo y se aumenta la entalpía del gas incidente. En el proceso puede generarse

algo de calor que se disipa al ambiente (a veces este calor puede despreciarse).

En la bomba ocurre lo mismo pero al ser un líquido (al no variar la densidad) el proceso genera prácticamente

sólo un aumento de presión (variación de energía interna despreciable).

Compresorde potencia(Lección 6)

Bomba


En condiciones estacionarias:A través de la bomba se cumple que:

Si además se asume que el proceso es adiabático ( =0, q=0) ytenemos en cuenta que las variaciones de energía interna son

Despreciables, las variaciones de h quedan reducidas a P/

(J/kg)

(J/kg)

WhhmQ 12(J/s)

C1C2

z1z2

1 2

whhq 12

WQzzgCC

hhm

12

2

1

2

212

2

wqzzgCC

hh

12

2

1

2

212

2

En el compresor

se cumple que: C1C2

z1z2

wzzgCCPP

12

2

1

2

212

20

w

PP

120

WzzgCCPP

m

12

2

1

2

212

2

Q

W

PPm

120 (J/s)

Representación

simbólica

W

1

2

CQ

1 2

BW

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

23

Aplicación del Primer principio a válvulas


A través de la válvula se cumple:


ee

salidasss

2

212

21

A través de una válvula de laminación la entalpía del fluido se mantiene constante

Proceso isoentálpico

Representación simbólica

C1C2


No se realizar trabajo w=0 y =0

z1z2

Q

W

02

12

2

1

2

212

zzg

CChhm

(J/kg)21 hh

02

12

2

1

2

212

zzg

CChh

1 2

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

24

Aplicación del Primer principio a intercambiadores de calor


A través del intercambiador se cumple que:

Y además en este equipo sólo se transmite calor, no se realiza trabajo w=0, por tanto:

Planteamos el balance de energía para el fluido 1

y para el fluido 2:


ee

salidasss

2

212

21

1212

2

1

2

2121 )(

2Qzzg

CChhm fluido

3434

2

3

2

4342 )(

2Qzzg

CChhm fluido

12121 Qhhm fluido

34342 Qhhm fluido

Como T2<T1, h2<h1 por tanto Q12<0 negativo (sale del fluido 1)

Como T4>T3, h4>h3 por tanto Q34>0 positivo (entra en el fluido 2)

(J/s)

(J/s)

1212 qhh (J/kg)

3434 qhh (J/kg)

C1=C2

z1=z2

C3=C4

z3z4

T1>T2

T4>T3

P1=P2

P3=P4

Intercambiador cerrado

Calor cedido = Calor absorbido

Q12 =Q34

1 2

4 3

Fluido 1

Fluido 2

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

25

Aplicación del Primer principio a caldera o generador de vapor


12 hhmQ (J/s)

Generador de vapor

En un generador de vapor se cumple que: C1C2


z1z2

W

(J/kg) 12 hhq

QzzgCC

hhm

12

2

1

2

212

2

qzzgCC

hh

12

2

1

2

212

2


ee

salidasss

2

212

21

Q Agua líquida

Vapor de agua

Generador de Vapor

2

1

Tecn

olo

gía

Ener

gét

ica

26

Aplicación del Primer principio a intercambiadores de calor


Hacemos un balance de masa y energía al intercambiador:

(J/s)

Intercambiador abierto (procesos de mezcla)

Fluido 1

Fluido 3Fluido 2

P1=P2=P3

En un intercambiador de calor abierto se cumple que: C1C2 C3



z1z2 z3

QW


ee

salidasss

2

212

21

321 mmm (kg/s)

02

2

221

221

2

121

113

2

321

33 gzChmgzChmgzChm

02

2

221

221

2

121

113

2

321

321 gzChmgzChmgzChmm

0221133 hmhmhm

1

23

Índice de contenido - academia cartagena99lineas de transmisión. v=f1(t− z v)+f2(t+ z v);dondev=...

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